开关电源变压器设计

开关电源变压器设计开关电源变压器设计 1 前言 2 变压器设计原则 3 系统输入规格 4 变压器设计步骤 4 1 选择开关管和输出整流二极管 4 2 计算变压器匝比 4 3 确定最低输入电压和最大占空比 4 4 反激变换器的工作过程分析 4 5 计算初级临界电流均值和峰值 4 6 计算变压器初级电感量 4 7 选择变压器磁芯 4 8 计算变压器初级匝数 次级匝数和气隙长度 4 9 满载时峰值电流 4 10 最大工作磁芯密度 Bmax 4 11 计算变压器初级电流 副边电流的有效值 4 12 计算原边绕组 副边绕组的线径 估算窗口占有率 4 13 计算绕组的铜损 4 14变压器绕线结构及工艺 5 实例设计 12W Flyback 变压器设计 1 前言前言 反激变换器优点 反激变换器优点 电路结构简单 成本低廉 容易得到多路输出 应用广泛 比较适合 100W 以下的小功率电源 设计难点设计难点 变压器的工作模式随着输入电压及负载的变化而变化 低输入电压 满载条件下变压器工作在连续电流模式 CCM 高输入电压 轻载条件下变压器工作在非连续电流模式 DCM 2 变压器设计原则变压器设计原则 温升温升 安规对变压器温升有严格的规定 Class A 的绝对温度不超过 90 C Class B 不能超过 110 C 因此 温升在规定范围内 是我们设计变压器必须遵循的准则 成本成本 开关电源设计中 成本是主要的考虑因素 而变压器又是电源系统的重要组成部分 因此如何将 变压器的价格 体积和品质最优化 是开关电源设计者努力的方向 3 系统输入规格系统输入规格 输入电压 Vacmin Vacmax 输入频率 fL 输出电压 Vo 输出电流 Io 工作频率 fS 输出功率 Po 预估效率 最大温升 40 4 0 变压器设计步骤变压器设计步骤 4 1 选择开关管和输出整流二极管选择开关管和输出整流二极管 开关管 MOSFET 耐压值为 Vmos 输出二极管 肖特基二极管 最大反向电压 VD 正向导通压降为 VF 4 2 计算变压器匝比计算变压器匝比 考虑开关器件电压应力的余量 Typ 20 开关 ON 0 8 VD Vin max N Vo 开关 OFF 0 8 VMOS N Vo VF Vin max 匝比 Nmin N Nmax 4 3 确定最低输入电压和最大占空比确定最低输入电压和最大占空比 输入滤波电容 2 F 3 F W 最低输入电压 假设 tc 3ms Vin min 2 2 2 2 最低输入电压 最大功率时 占空比最大 Dmax Dmax 4 4 反激变换器的工作过程分析反激变换器的工作过程分析 低输入电压时 负载从轻载到重载 变压器经历从 DCM BCM CCM 的过程 高输入电压时 负载从轻载到重载 变压器一直工作在 DCM 4 5 计算初级临界电流均值和峰值计算初级临界电流均值和峰值 按照最小输入电压 最大输出功率 Pomax 的条件计算 Po 1 3Po max时 变换器工作在 BCM Po 1 3Po max时 变换器工作在 CCM BCM 模式下 最小输入电压时的平均输入电流 Iin avg 1 3 变压器初级临界电流峰值 Ip1 Ipk1 2 4 6 计算变压器初级电感量计算变压器初级电感量 最低输入电压 BCM 条件下 最大通时间 Ton max Dmax 1 变压器初级电感量 Lp 1 4 7 选择变压器磁芯选择变压器磁芯 基于输出功率和开关频率计算面积乘积 根据面积乘积来选择磁芯 APp 106 2 Ko是窗口的铜填充系数 取 Ko 0 4 Kc是磁芯填充系数 对于铁氧体磁芯取 Kc 1 Bm 是变压器工作磁通密度 取 Bm 1 2 j 是电流密度 取 j 4 2A mm2 考虑绕线空间 尽量选择窗口面积大的磁芯 查表选择 Aw 和 Ae 4 8 计算变压器初级 次级匝数 辅助绕组匝数和气隙长度计算变压器初级 次级匝数 辅助绕组匝数和气隙长度 初级绕组的匝数 Np 108 增加或者减小匝数只会分别引起磁芯损耗减小或增加 在 100kHz 条件下 损耗与 B2 86 成正比 匝数减小 5 会使磁芯损耗增加 15 次级绕组匝数 Ns Np N 辅助绕组匝数 Ncc Vcc 1 Ns Vo VF 气隙长度 lg 0 4 2 4 9 满载时峰值电流满载时峰值电流 CCM 时 Ton max固定不变 输入电压不变 BCM 的 Ton max等于 CCM 的 Ton max Ton max内 电感电流线形上升增量 Ip1 Ip2 低输入电压 满载条件下 Po Lp I2pk2 I2pk0 fs 1 2 变压器初级峰值电流 Ipk2 2 2 4 10 最大工作磁芯密度最大工作磁芯密度 Bmax Bmax Bsat 2 108 如果 Bmax Vin max N Vo 0 8 100 375 N 12 0 8 Vmos N Vo VF Vin max 0 8 600 N 12 0 5 375 5 5 N 0 066 cm2 5 8 变压器初级匝数 次级匝数 辅助绕组匝数和气隙长度变压器初级匝数 次级匝数 辅助绕组匝数和气隙长度 Np 140 7 取 Np 140 Ts 77 9 8 10 6 0 335 1600 108 Ns 140 6 23 3 Ts 取 Ns 23 Ts Ncc 19 23 12 5 35 Ts lg 0 2 mm 0 4 33 5 1402 2 6 5 9 满载时峰值电流 最大工作磁通密度满载时峰值电流 最大工作磁通密度 Ipk2 0 14 0 56 A min 2 16 77 0 49 Bmax 3100G 3900G 2 2 6 10 3 0 56 0 335 140 108 5 10 变压器初级电流 副边电流的有效值变压器初级电流 副边电流的有效值 原边各电流 电流中值 Ipa 0 42A 电流有效值 Iprms 0 29A 电流直流值 Ipdc 0 20A 电流交流值 Ipac 0 208A 副边各电流 电流直流值 Isdc 1A 电流有效值 Isrms 1 38A 电流中值 Isa 1 92A 电流交流值 Iac 0 959A 5 11 计算原边 副边绕组的线径 估算窗口占有率计算原边 副边绕组的线径 估算窗口占有率 线径及根数 集肤深度 6 61 6 61 0 29 cm 50 103 导线的横截面积 电流密度 j 4 2 5A mm2 初级绕组 Sp 0 068mm2 0 25mm 1P RDC 4 523m cm 100 副边绕组 Ss 0 328mm2 0 40mm 2P RDC 0 892m cm 100 Vcc 绕组 Scc 0 1 4 2 0 024mm2 0 1mm 2P 窗口占有率 0 4 60 48 140 0 1252 23 0 22 35 0 082 24 2 13 6 OK 5 12 计算绕组的铜损计算绕组的铜损 平均匝长 lav 23 5 mm 各绕组绕线长度 原边 lNp 140 23 5 329 cm 副边 lNs 23 23 5 54 0 cm 各绕组直 交流电阻 原边Rpdc 1 45 Rpac 2 38 副边Rsdc 0 024 Rsac 0 038 Vcc 绕组电流过小 忽略绕组损耗 各绕组损耗 Pu 0 30W 2 2 0 22 2 2 0 08 5 13 计算绕组的铁损计算绕组的铁损 计算铁损 查磁芯损耗曲线 PC40 在 B 0 15T 时为 80mW cm3 铁损 PFe 80 1 5 0 12 W 估算温升 总损耗 Ploss 0 12 0 30 0 42 W 经验公式 T 22 40 800 0 42 34 33 5 60 48 设计 OK 5 14 变压器绕线结构及工艺变压器绕线结构及工艺 绕线宽度高度累计 查 EF20 Bobbin 绕线宽度 W 12 1mm 高度 H 2 9